Difüzyon Ölçümü

Stejskal ve Tanner 1965 yılında puls gradyent tekniğini geliştirmiş ve difüzyon ağırlıklı sekansı ilk olarak tanımlamıştır (76). Stejskal ve Tanner DAG elde etmek için T2 ağırlıklı SE sekansına zıt yönde ve eşit büyüklükte iki ek gradyent pulsu uygulamışlardır. Su molekülleri 180 derece radyofrekans pulsuna simetrik yerleştirilmiş iki adet gradyent pulsu ile manyetize edilir. Su molekülleri manyetik alan gradyentleri yönünde hareket ettikçe ne kadar uzağa gittiklerine bağlı olarak sabit moleküllerden farklı şekilde faz kayması oluştururlar. Bu faz kayması spin eko sinyalinin yoğunluğu ile doğrudan ilişkilidir. DAG’de oluşan büyük faz kayması sonucu sinyal kaybı oluşur (71). Elde edilen sinyalin difüzyon ağırlığını uygulanan ekstra gradyentin gücü ve uygulama süresi belirler (73, 80). Bu sekansda hızlı difüzyon gösteren protonlar T2 sinyal kaybı nedeniyle düşük sinyalli, yavaş difüzyon gösteren veya hareketsiz protonlar ise T2 sinyali fazla değişmediği için yüksek sinyallidir. DAG’de kullanılan gradyentin şiddeti arttıkça hareketli protonlardaki faz dağılımı ve buna bağlı olarak sinyal kaybı artar (81). Sonuç olarak hareketli protonlar içeren bir doku vokselinin sinyal şiddeti, T2 ağırlıklı görüntüdeki difüzyon hızının miktarı ile orantılı olarak azalan sinyal şiddetine eşittir.

Sinyal yoğunluğunun voksel başına düşen miktarının kantitatif olarak hesaplanması:

SI= SI○x exp (-bxD)

SI: sinyal intensitesi, SI○: T2 ağırlıklı görüntüdeki veya b=0 s/mm² olan görüntüdeki sinyal şiddeti, exp: eksponansiyel, b: uygulanan gradyentin gücü ve uygulama süresi ile ilgili parametreler, D: Difüzyon katsayısı

Görüntüdeki difüzyon ağırlığının derecesini ifade eden b değerinin hesaplanmasında aşağıdaki formül kullanılır.

b= γ²G²δ² (∆-δ/3)

γ: giromanyetik oranı, G: difüzyon gradyentinin büyüklüğünü, δ: süresini, ∆: iki dengeli gradyent arasındaki süreyi ifade eder.

Bir dizi b değeri kullanılarak ve her voksel için SI=SI○ x exp (-bxD) fomülü ile lineer regresyon uygulanmasıyla ADC haritası oluşturulur. Yüksek b değeri kullanılarak elde edilen kaynak görüntüler difüzyon ağırlıklı görüntüler olarak adlandırılır (71).

Fick kanununa göre gerçek difüzyon, moleküllerin net konsantrasyon gradyentine bağlı hareketidir. MRG’de konsantrasyon hareketine bağlı moleküler hareket, basınç gradyentlerine, termal gradyentlere veya iyonik etkileşimlere bağlı moleküler hareketten ayırt edilemez. Ayrıca MRG ile moleküllerin hareket edebildiği hacim oranını veya moleküllerin kat ettikleri mesafedeki kıvrımlılığa bağlı artışı doğru olarak saptayamayız. Dolayısı ile DAG ile moleküler hareketi ölçmek amaçlanırken sadece görünürdeki difüzyon katsayısı hesaplanır. Difüzyon ağırlıklı görüntünün sinyal intensitesi en iyi şu şekilde ifade edilir (1):

SI=SI○x exp (-b x ADC)

Klinik uygulamalarda düşük (b=0 s/mm²) ve maksimum (b=1000 s/mm²) iki adet b değeri kullanılarak görüntüleme yapılır. b=0 s/mm² kullanılarak elde edilen difüzyon görüntüsü T2 ağırlıklı bilgi sağlar. b=1000 s/mm² değerinde elde edilen görüntüler ise x, y ve z eksenlerindeki saf difüzyon ağırlığını yansıtır. Bu üç eksen görüntüleri S (section), P (phase encoding) ve R (read out) olarak ifade edilir (71).

Difüzyon ağırlıklı gradiyent pulsları tek yönde uygulandığında ortaya çıkan görüntü hem yön hem de ADC hakkında bilgi verir. Yöne bağlı sinyal değişikliğini ortadan kaldırmak için x, y ve z düzlemlerinde difüzyon ağırlıklı gradyent pulsu uygulanarak elde edilen görüntüler çarpılır ve küp kökü alınır. Sonuç olarak ortaya çıkan görüntü trace difüzyon ağırlıklıdır ve görüntüde kontrastı oluşturan T2 ağırlığı (T2 parlaması) ile ADC’deki farklılıklardır. T2 sinyalini ortadan kaldırmak için ADC haritası oluşturulur. ADC haritası difüzyonun yönü ve T2 sinyalinden bağımsızdır.

ADC değerinin hesaplanmasının esas avantajı bu değerlerin alıcı koillerde görüntülenen dokunun pozisyonundan bağımsız olmasıdır. Bununla birlikte, tüm hareket eden moleküller bir sinyal kaybı oluşturarak ADC değerine katkıda bulunur. Yani ekstraselüller–ekstravasküler boşluktaki difüzyon, sellüler difüzyon ve intravasküler perfüzyon hesaplanan ADC değeri ile ilişkilidir. Bundan dolayı difüzyon ağırlıklı görüntüleme ile herhangi bir organda simültane olarak perfüzyon ve difüzyon hakkında bilgi sağlanmaktadır. DAG’de b değerinin seçimi çok önemlidir. Çünkü hareketin ADC değeri üzerine olan etkisi su moleküllerinin hareket hızlarıyla ters orantılıdır. Düşük b değerleri kullanıldığında (200-300 s/mm²), en hızlı olarak hareket eden spinlerin en fazla etkisi bulunmaktadır. Bu hızlı spinlerin kökenleri hala tartışma konusudur. Ancak çoğunlukla perfüzyon etkilerine ve eşlik eden ekstravasküler–

ekstraselüller moleküllerinin hareketlerine bağlanmaktadır. Yüksek b değerlerinde en hızlı hareket eden spinler sinyallerini kaybetmiş olup bu nedenle ekstra ve intraselüler moleküllerin Brownian hareketleri ve transmembranöz transport gibi daha yavaş hareketlerin etkileri değerlendirilebilmektedir (82).

Kan akım yoğunluğu, yapısal inhibitörlerin eklenmesi veya çıkartılması veya daha önemlisi ekstraselüller-ekstravasküler boşluk–intrasellüler boşluk oranının değişmesine bağlı olarak bir dokunun mikroçatısı değiştiğinde optimal b değerleri seçilerek bu durum difüzyon MRG ile tespit edilir. ADC’nin bir tümörün hücresel yoğunluğuna bağlı olduğu rapor edilmiştir. Örneğin ekstraselüller ve ekstravasküler boşluğun önemli oranda azalmasına bağlı olarak birçok malign tümör tipinde ADC’nin azaldığı gözlenmiştir (83).

DAG’nin ikinci önemli noktası; kullanılan görüntüleme sekansıdır. Teoriye göre su moleküllerinin difüzyonunun değerlendirilebilmesi için herhangi bir görüntüleme sekansı bipolar gradyentlere uygulanabilir. Bununla birlikte günümüzde zaman sınırlamasına bağlı olarak daha çok single–shot sekansları kullanılmaktadır. En hızlı ve en sık kullanılan teknik olan EPI, bir gradyent eko temelli teknik olup özelikle hava– doku sınırlarının varlığında duyarlılık ile ilgili bir takım problemler taşımaktadır. Ayrıca hareket artefaktları GE kazanımlarında çok daha kuvvetli bir etki oluşturmaktadır. Her iki faktörde ekstrakranial uygulamada çokça telafuz edildiğinden bazı araştırmacılar single–shot turbo spin eko (SSFP), multi shot EPI ve çizgisel DAG gibi alternatif teknikleri kullanmaya yönelmektedir (84).

Ekoplanar görüntüleme 1,5 Tesla ve/veya daha fazla manyetik alan gücüne sahip sistemler ile yapılabilir. EPI’de hızlı açılıp kapanan gradyentlerin neden olduğu uzaysal distorsiyon ve manyetik suseptibilite artefaktları oluşabilir. Tüm hareket artefaktları ADC değerlerinde yalancı yüksekliğe neden olur. Hareket artefaktları EPI ile azaltılır (1, 2, 85).

DAG’de kısıtlanmış difüzyon yüksek sinyalli, kısıtlanmamış difüzyon ise düşük sinyalli olarak izlenir. T2 ağırlıklı görüntülemede hiperintens olarak izlenen lezyonlar difüzyon kısıtlanması göstermeseler bile difüzyon ağırlıklı görüntülerde yüksek sinyalli olarak izlenir ve kısıtlanmış difüzyonu taklit eder. ADC haritası, ölçülen difüzyon büyüklüğünün mutlak değerini gösterir. Yani kısıtlanmış difüzyon düşük ADC değeri ve düşük sinyal, hızlı difüzyon ise yüksek ADC değeri ve yüksek sinyal gösterir (1, 71, 76, 79, 86).

DAG’de ADC değerleri matematiksel olarak iki ana yöntem ile ölçülür. Biri Stejskal-Tanner formülü, diğeri ise ADC haritası üzerinden yapılan doğrudan ölçümdür. Her iki yöntemde de öncelikle ölçüm yapılacak bölge ya da bölgelerin ilgi alanı (ROI) ve/veya piksel lens ölçümleri yapılır. Bu ölçümler alındıktan sonra ADC değerleri Stejskal-Tanner formülünden veya ADC haritasındaki piksel değerlerinden hesaplanabilir.

Stejskal-Tanner formülü; ADC=-(1/b) ln (S/S○)

S; b=0 s/mm² deki sinyal intensitesidir. S○; difüzyon ağırlıklı görüntüleme için seçilen b değerindeki sinyal intensitesi, ln; doğal logaritma, 1/b ise difüzyon ağırlıklı görüntüleme için seçilen b değeridir (87).

DAG’de ölçülen sinyaller su moleküllerinin mikroskopik hareketine ek olarak oluşabilecek diğer hareket kaynaklarından da etkilenir. Spin eko T2 sekansında, hastanın hareket etmesi gibi diğer hareket kaynakları da faz hatalarına yol açarak, su moleküllerinin difüzyon hareketlerini ölçmemizi engelleyip, görüntüde artefaktlara neden olabilir. Bunu önlemenin iki yolu vardır. Bunlardan birincisi “navigator tekniği” ile görüntü oluşturmadan önce ham verilerdeki faz hatalarının düzeltilmesidir. Böylece konvansiyonel SE tekniği ile yüksek sinyal gürültü oranına sahip görüntüler elde edilebilir. İkincisi ise ekoplanar single shot spin eko T2 ağırlıklı tekniğin kullanılması ile görüntüleme süresinin kısaltılmasıdır. Gradient eko konvansiyonel SE sekansa uygulandığı zaman bir yönde difüzyon ölçümü 6-8 dakika sürer (1, 72, 88).